CN102880127A - 一种地面无人移动平台底层控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无人移动平台的底层控制系统，属于自动控制技术领域。包括车载计算机、遥操作电台、底层传感器、电源档位控制器、驱动模式控制器、4通道D/A模块、刹车电机控制器、转向电机控制器、电子油门、控制模式切换开关、GPS模块和陀螺仪，外围设备为刹车电机、转向电机和电子油门；系统接收上位机发送的车辆行驶决策信息，采集底层传感器设备的数据，得到车辆行驶状态信息和遥操作信息，并通过控制油门量、刹车量、方向盘转向、档位、驱动模式等控制量来实现对地面无人移动平台的底层控制，同时可，将以上信息上传至上位机。本发明的执行机构全部由车载计算机统一控制，有效降低了上位机的负担，提高了无人移动平台的可靠性。

Description

一种地面无人移动平台底层控制系统
技术领域
本发明涉及一种无人移动平台的底层控制系统，属于自动控制技术领域。
背景技术
地面无人移动平台是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统。随着现代科学技术的高速发展，地面无人移动平台的智能化程度、动作的精确性、反应的快速性等方面发展迅速，很多方面更是超过人类。诸多优势使地面无人移动平台在未来战争、精准农业、智能交通等领域有着极大的应用前景。
在高新技术与武器系统飞速发展的今天，无人作战系统的应用越来越广泛，各种类型的军用无人移动平台大量涌现。精准农业从90年代开始在发达国家兴起，目前发展方兴未艾。农用地面无人平台搭载GPS、环境检测传感器以及先进农用设备等，自主完成精准的农业生产工作，已成为未来农业发展的一个趋势。而对于智能交通系统，地面无人移动平台更是起到了很大的推动作用，其研究成果在“辅助驾驶”、“主动安全”等领域得到了广泛的应用。
由此可见，地面无人移动平台在以上领域发挥着举足轻重的作用，而平台的底层控制系统是地面无人移动平台能够稳定运行的重要技术基础与保障，对地面无人移动平台底层控制系统进行研究具有重要的实际应用价值。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种地面无人移动平台的底层控制系统，能够用于接收上位机发送的的车辆行驶决策信息，采集底层传感器设备的数据从而得到车辆行驶状态信息和遥操作信息，并通过控制油门量、刹车量、方向盘转向、档位、驱动模式等控制量来实现对地面无人移动平台的底层控制；同时可将以上信息上传至上位机。
本发明的一种地面无人移动平台的底层控制系统，包括车载计算机、遥操作电台、激光雷达、摄像头、里程计、电源档位控制器、驱动模式控制器、遥操作控制器、4通道D/A模块、刹车电机控制器、转向电机控制器、电子油门、急停按钮、遥操作急停按钮、控制模式切换开关、GPS模块和陀螺仪，外围设备为刹车电机、转向电机和电子油门；
其中，车载计算机内集成有PC/104模块、固态硬盘、触摸屏、LCD液晶屏、WCDMA模块和GPS模块，其内部连接关系为：PC/104模块通过SATA总线与固态硬盘相连，PC/104模块通过USB总线与触摸屏和WCDMA模块相连，PC/104模块通过LVDS总线与LCD相连，PC/104模块通过RS232总线与GPS模块相连，从PC/104模块中引出CAN总线接口、USB总线接口、RS485总线接口、RS232总线接口以及以太网接口；
系统的整体连接关系为：车载计算机通过以太网、RS232总线或WCDMA与上位机或互联网相连，车载计算机的USB总线接口通过USB总线与激光雷达和摄像头相连；车载计算机的RS232总线接口通过RS232总线分别与GPS模块和陀螺仪相连；车载计算机的RS485总线接口通过RS485总线分别与里程计、电源档位控制器、驱动模式控制器、4通道D/A模块和遥操作控制器的RS485总线接口相连，车载计算机的CAN总线接口通过CAN总线与刹车电机控制器、转向电机控制器的CAN总线接口相连，4通道D/A模块中4个模拟电压接口的第一和第二模拟电压接口与电子油门的模拟量输入接口连接，第三和第四模拟电压接口分别于刹车电机控制器和转向电机控制器的模拟量输入接口相连；刹车电机控制器和转向电机控制器的电机接口分别与刹车电机和转向电机相连，遥操作控制器的急停信号接口与4通道D/A模块的急停信号接口相连，遥操作电台通过无线信号与遥操作控制器相连，遥操作电台上设有遥操作急停按钮，遥操作控制器上设有急停按钮，控制模式切换开关与遥操作控制器相连；
急停按钮设置在地面无人移动平台的周围四个方向上，便于在发生紧急情况时操作人员从不同位置触发急停按钮，实现急停操作；
本发明的一种地面无人移动平台的底层控制系统，其工作流程为：
1）系统初始化
2）车载计算机采集激光雷达、摄像头、里程计、遥操作控制器、GPS模块、陀螺仪的数据；
3）由操作人员选择控制模式，若是遥操作控制跳转至步骤7；
4）上位机将驾驶指令发送至车载计算机；
5）车载计算机根据所得数据通过速度闭环控制算法、预定轨迹跟踪算法计算出当前档位、驱动模式、油门量、刹车量及方向盘转向角；
6）跳转至步骤8；
7）使用遥操作控制器的数据得到当前档位、驱动模式、油门量、刹车量及方向盘转向角；
8）车载计算机将档位、驱动模式、油门量、刹车量及方向盘转向角发送至电源档位控制器、驱动模式控制器、4通道D/A模块；
9）电源档位控制器、驱动模式控制器分别控制无人移动平台的电源、档位、驱动模式；
10）4通道D/A模块产生4路模拟信号并发送至刹车电机控制器、转向电机控制器和电子油门；
11）刹车电机控制器和转向电机控制器分别控制刹车电机和转向电机，进而控制无人移动平台刹车和方向盘转角；
12）车载计算机将当前行驶数据发送至上位机；
13）返回步骤2；
遥操作控制器独立接收急停按钮或遥操作急停按钮通过遥操作电台发送的急停信号，并独立向4通道D/A模块发送急停信号；4通道D/A模块接到急停信号后可独立控制刹车电机控制器、转向电机控制器、电子油门进入急停状态，控制无人移动平台紧急停止。
有益效果：本发明的地面无人移动平台的底层控制系统将车辆底层控制器、传感器、执行机构全部通过车载计算机统一控制，使上位机仅通过以太网便可对车辆所有部件进行控制，有效降低了上位机的负担，提高了可靠性；由于遥操作控制器8和4通道D/A模块在急停时均可独立工作，在其他系统出现故障时都不会影响无人移动平台紧急停止，使无人移动平台具有高可靠性和安全性
附图说明
图1为本发明中地面无人移动平台的底层控制系统连接关系示意图；
图2为本发明的车载计算机中各部件连接关系示意图；
图3为本发明中地面无人移动平台的底层控制系统工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种地面无人移动平台的底层控制系统，包括车载计算机、遥操作电台、激光雷达、摄像头、里程计、电源档位控制器、驱动模式控制器、遥操作控制器、4通道D/A模块、刹车电机控制器、转向电机控制器、电子油门、急停按钮、遥操作急停按钮、控制模式切换开关、GPS模块和陀螺仪，外围设备为刹车电机、转向电机和电子油门；
其中，车载计算机内集成有PC/104模块、固态硬盘、触摸屏、LCD液晶屏、WCDMA模块和GPS模块，其内部连接关系为：PC/104模块通过SATA总线与固态硬盘相连，PC/104模块通过USB总线与触摸屏和WCDMA模块相连，PC/104模块通过LVDS总线与LCD相连，PC/104模块通过RS232总线与GPS模块相连，从PC/104模块中引出CAN总线接口、USB总线接口、RS485总线接口、RS232总线接口以及以太网接口；
系统的整体连接关系为：车载计算机通过以太网、RS232总线或WCDMA与上位机或互联网相连，车载计算机的USB总线接口通过USB总线与激光雷达和摄像头相连；车载计算机的RS232总线接口通过RS232总线分别与GPS模块和陀螺仪相连；车载计算机的RS485总线接口通过RS485总线分别与里程计、电源档位控制器、驱动模式控制器、4通道D/A模块和遥操作控制器的RS485总线接口相连，车载计算机的CAN总线接口通过CAN总线与刹车电机控制器、转向电机控制器的CAN总线接口相连，4通道D/A模块中4个模拟电压接口的第一和第二模拟电压接口与电子油门的模拟量输入接口连接，第三和第四模拟电压接口分别于刹车电机控制器和转向电机控制器的模拟量输入接口相连；刹车电机控制器和转向电机控制器的电机接口分别与刹车电机和转向电机相连，遥操作控制器的急停信号接口与4通道D/A模块的急停信号接口相连，遥操作电台通过无线信号与遥操作控制器相连，遥操作电台上设有遥操作急停按钮，遥操作控制器上设有急停按钮，控制模式切换开关与遥操作控制器相连；
急停按钮设置在地面无人移动平台的周围四个方向上，便于在发生紧急情况时操作人员从不同位置触发急停按钮，实现急停操作；
本发明的一种地面无人移动平台的底层控制系统，其工作流程为：
1）系统初始化
2）车载计算机采集激光雷达、摄像头、里程计、遥操作控制器、GPS模块、陀螺仪的数据；
3）由操作人员选择控制模式，若是遥操作控制跳转至步骤7；
4）上位机将前方行驶路径、期望车速、路况信息等驾驶指令发送至车载计算机；
5）车载计算机根据所得数据通过速度闭环控制算法、预定轨迹跟踪算法计算出当前档位、驱动模式、油门量、刹车量及方向盘转向角；
a)车载计算机根据期望车速、行驶路径、当前车速，通过模糊控制算法计算当前档位，通过PID车速闭环控制算法计算当前油门量和刹车量；
b)车载计算机根据路况信息选择合适的驱动模式；
c)车载计算机根据前方行驶路径，通过PID方向控制算法计算方向盘转向角；
6）跳转至步骤8；
7）使用遥操作控制器的数据得到当前档位、驱动模式、油门量、刹车量及方向盘转向角；
a)使用遥操作控制器第1通道的数据得到当前油门量、刹车量；
b)使用遥操作控制器第2通道的数据得到当前油驱动模式；
c)使用遥操作控制器第3通道的数据得到当前档位；
d)使用遥操作控制器第4通道的数据得到当前方向盘转向角；
8）车载计算机将当前档位发送至电源档位控制器，将当前驱动模式发送至驱动模式控制器，将油门量、刹车量及方向盘转向角发送至4通道D/A模块；
9）电源档位控制器控制无人移动平台的电源和档位，驱动模式控制器控制无人移动平台的驱动模式；
10）4通道D/A模块产生4路模拟信号并发送至刹车电机控制器、转向电机控制器和电子油门；
11）刹车电机控制器和转向电机控制器分别控制刹车电机和转向电机，进而控制无人移动平台刹车和方向盘转角；
12）车载计算机将当前行驶数据发送至上位机；
13）返回步骤2。
遥操作控制器独立接收急停按钮或遥操作急停按钮通过遥操作电台发送的急停信号，并独立向4通道D/A模块发送急停信号；4通道D/A模块接到急停信号后可独立控制刹车电机控制器、转向电机控制器、电子油门进入急停状态，控制无人移动平台紧急停止。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种地面无人移动平台的底层控制系统，其特征在于，包括车载计算机、遥操作电台、激光雷达、摄像头、里程计、电源档位控制器、驱动模式控制器、遥操作控制器、4通道D/A模块、刹车电机控制器、转向电机控制器、电子油门、急停按钮、遥操作急停按钮、控制模式切换开关、GPS模块和陀螺仪，外围设备为刹车电机、转向电机和电子油门；其中，车载计算机内集成有PC/104模块、固态硬盘、触摸屏、LCD液晶屏、WCDMA模块和GPS模块，其内部连接关系为：PC/104模块通过SATA总线与固态硬盘相连，PC/104模块通过USB总线与触摸屏和WCDMA模块相连，PC/104模块通过LVDS总线与LCD相连，PC/104模块通过RS232总线与GPS模块相连，从PC/104模块中引出CAN总线接口、USB总线接口、RS485总线接口、RS232总线接口以及以太网接口；
系统的整体连接关系为：车载计算机通过以太网、RS232总线或WCDMA与上位机或互联网相连，车载计算机的USB总线接口通过USB总线与激光雷达和摄像头相连；车载计算机的RS232总线接口通过RS232总线分别与GPS模块和陀螺仪相连；车载计算机的RS485总线接口通过RS485总线分别与里程计、电源档位控制器、驱动模式控制器、4通道D/A模块和遥操作控制器的RS485总线接口相连，车载计算机的CAN总线接口通过CAN总线与刹车电机控制器、转向电机控制器的CAN总线接口相连，4通道D/A模块中4个模拟电压接口的第一和第二模拟电压接口与电子油门的模拟量输入接口连接，第三和第四模拟电压接口分别于刹车电机控制器和转向电机控制器的模拟量输入接口相连；刹车电机控制器和转向电机控制器的电机接口分别与刹车电机和转向电机相连，遥操作控制器的急停信号接口与4通道D/A模块的急停信号接口相连，遥操作电台通过无线信号与遥操作控制器相连，遥操作电台上设有遥操作急停按钮，遥操作控制器上设有急停按钮，控制模式切换开关与遥操作控制器相连；
急停按钮设置在地面无人移动平台的周围四个方向上，便于在发生紧急情况时操作人员从不同位置触发急停按钮，实现急停操作；
2.如权利要求1所述的地面无人移动平台的底层控制系统，其特征在于所述系统的工作流程为：
1）系统初始化
2）车载计算机采集激光雷达、摄像头、里程计、遥操作控制器、GPS模块、陀螺仪的数据；
3）由操作人员选择控制模式，若是遥操作控制跳转至步骤7；
4）上位机将驾驶指令发送至车载计算机；
5）车载计算机根据所得数据通过速度闭环控制算法、预定轨迹跟踪算法计算出当前档位、驱动模式、油门量、刹车量及方向盘转向角；
6）跳转至步骤8；
7）使用遥操作控制器的数据得到当前档位、驱动模式、油门量、刹车量及方向盘转向角；
8）车载计算机将档位、驱动模式、油门量、刹车量及方向盘转向角发送至电源档位控制器、驱动模式控制器、4通道D/A模块；
9）电源档位控制器、驱动模式控制器分别控制无人移动平台的电源、档位、驱动模式；
10）4通道D/A模块产生4路模拟信号并发送至刹车电机控制器、转向电机控制器和电子油门；
11）刹车电机控制器和转向电机控制器分别控制刹车电机和转向电机，进而控制无人移动平台刹车和方向盘转角；
12）车载计算机将当前行驶数据发送至上位机；
13）返回步骤2；
3.如权利要求2所述的地面无人移动平台的底层控制系统，其特征在于所述步骤5的具体流程为：
a)车载计算机根据期望车速、行驶路径、当前车速，通过模糊控制算法计算当前档位，通过PID车速闭环控制算法计算当前油门量和刹车量；
b)车载计算机根据路况信息选择合适的驱动模式；
c)车载计算机根据前方行驶路径，通过PID方向控制算法计算方向盘转向角。
4.如权利要求2所述的地面无人移动平台的底层控制系统，其特征在于所述步骤7的具体流程为：
a)使用遥操作控制器第1通道的数据得到当前油门量、刹车量；
b)使用遥操作控制器第2通道的数据得到当前油驱动模式；
c)使用遥操作控制器第3通道的数据得到当前档位；
d)使用遥操作控制器第4通道的数据得到当前方向盘转向角。
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